[논문]천연가스 개질기 설계

이택홍; 최운선

doi:10.7316/khnes.2012.23.5.545

천연가스 개질기 설계
A Design for Natural Gas Reforming Reactor 원문보기

한국수소 및 신에너지학회 논문집 = Transactions of the Korean Hydrogen and New Energy Society, v.23 no.5, 2012년, pp.545 - 550

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This work is for the design study of natural gas reformer (40 $m^3/hr$ over). We used experimental kinetic data from literature. After that, we set up theoretical model based on experimental reaction kinetic data. The shape of reactor is 1.7 m long and 200 mm dia. with cylinder geometry. Volume of reactor is 53.4 liter. Average flow velocity of gases in the reactor has been determined 0.272 m/sec and residence time is 9.26 sec. Reaction temperature is $850^{\circ}C$, with pressure 9.3 Bar. Used natural gas volume is about 9.21 $m^3/hr$. Produced hydrogen is 43.7 $m^3/hr$ with no change of pressure. Unreacted natural gas is 0.09 $m^3/hr$ and the amount of steam is 26.9 $m^3/hr$. Steam to $CH_4$ (s/c ratio) is 2.91. Reforming reaction take place from the reactor entrance to 120 cm region of cylinder type reactor. After the entrance of reacting gases to 120 cm region, the reaction reaches equilibrium which is close to products. This study can be applicable to design various reactors. Output data is in good agreements with the data in literatures1).

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구 에서는 천연가스를 이용하여 수소를 생산할 수 있도록 천연 가스를 원료로 하는 개질 반응기를 설계 하였으며 실험 자료를 토대로 반응 동력학 모델을 정립하고 그 결과를 확인 하였다

제안 방법

s/c 비율을 몰분율로 1.21, 1.94, 2.91, 3.9에서 메탄이 전환되고 남은 메탄의 몰분율을 구하였다. 반응하지 않고 남아 있는 메탄의 몰분율은 각각 0.
수소를 생산하기 위하여 개질반응기를 디자인 하였다. 반응기의 모양은 길이는 1.
002 몰분율 기준으로 정하였다. 에탄성분, 프로판성분, 부탄성분은 메탄보다 반응이 보다 빠르게 진행하므로 일정상수를 곱하여 반응의 물질수지를 맞추었다. 우리가 관심을 가져야 하는 반응은 반응 (1)과 여분의 이산화탄소를 생성하는 다음의 반응이다.
이 방법을 사용하는 이유는 적분구간이 해당 함수가 심하게 변하는 경우 해당구간을 미세하게 잘라서 수학적인 오차를 줄여 주기 때문이다. 이때 메탄의 속도는 반응기의 길이의 함수이므로 반응기의 길이별로 메탄의 사라지는 속도를 계산하여 반응기를 설계하였다.

대상 데이터

개질반응기의 반응동력학적 모델을 정립하기 위하여 D, L, Hoang 등이 발표한 실험자료를 이용하였다⁵⁾. 사용된 촉매는 엥겔하드사에 서 구입한 감마 알루미나를 지지체로 니켈을 함침법으로 제작된 Ni-0309s이다.
사용된 천연가스의 성분조성은 메탄 0.913, 에탄 0.055, 프로판 0.021, 부탄성분 0.01, 질소 0.002 몰분율 기준으로 정하였다. 에탄성분, 프로판성분, 부탄성분은 메탄보다 반응이 보다 빠르게 진행하므로 일정상수를 곱하여 반응의 물질수지를 맞추었다.
. 사용된 촉매는 엥겔하드사에 서 구입한 감마 알루미나를 지지체로 니켈을 함침법으로 제작된 Ni-0309s이다. 이 촉매는 제조사에 의해서 탄화수소를 개질하여 수소를 생산하기 위한 촉매이다.
이 촉매는 제조사에 의해서 탄화수소를 개질하여 수소를 생산하기 위한 촉매이다. 이 촉매를 모델로 하여 결정된 반응동력학적인 자료를 이용하였다. 사용된 촉매의 물성은 Table 1과 같다.

이론/모형

이 실험자료를 식 (7)과 식 (8)에 대입하여 넣고 메탄의 사라지는 속도를 알기 위하여 미분방정식을 Runge-Kutta 1/4차 법⁷⁾을 사용하여 적분하였다. 이 방법을 사용하는 이유는 적분구간이 해당 함수가 심하게 변하는 경우 해당구간을 미세하게 잘라서 수학적인 오차를 줄여 주기 때문이다.

성능/효과

4리터 이다. 반응기내에 흐르는 가스의 평균속도는 반응기 입구에서 0.272m/sec, 반응기에서 각 화학종이 머무는 시간은 9.26초로 결정되었다.
001로 나타났으며 s/c비율이 증가함에 따라 감소하는 경향을 보였다. 생성물의 H2/CO 비는 2.85, 2.87, 2.89, 2.88로 s/c비율이 2.91까지는 증가하다가 줄어드는 경향을 보였다.
여기서 사용된 촉매의 GHSV(gas hourly space velocity)⁸⁾ 250hr-1 의값으로 표현되는데 이는 제조사에서 제시한 값의 1/10정도로 매우 적은 값으로 나타나는데 이로 말미암아 본 연구에서 제시한 디자인의 반응기를 사용 했을 경우 최적의 효율을 기대할수 있다고 생각된다. 이 연구에서 메탄보다 큰 탄화수소류의 경우 반응하여 사라지는 속도를 단순하게 일정 상수(20% 증가) 함으로서 실제 실험 결과와 잘 일치 시킨 것은 미분방정식을 푸는 시간을 줄이면서 효과적으로 실제 개질기를 잘 디자인 하는 한 방법을 제시하고 있다. 이 동력학적 모델을 사용함으로써 반응기의 온도가 증가하면 지수 함수적으로 증가하는데 이는 반응기내에서 반응을 모사하는데 실 상황을 잘 설명해 주고 있다.
일정온도이상 올라가면 제조사별 촉매의 특성에 따라 탄화가 일어나기 때문에 물리적으로 의미가 없는 온도가 되기 때문에 여기서는 1000℃ 까지만 고려하였다. 촉매 성능이 현저히 개선되어 촉매의 단위 양당 반응 전환율 20% 이상 증가하더라도 반응기의 길이는 30cm 이상은 줄어들지 않는 것으로 나타났다.

후속연구

Chan 등이¹⁾ 연구한 반응시간과 반응화학종의 반응 평균속도와 잘 일치하고 있다. 여기서 사용된 촉매의 GHSV(gas hourly space velocity)⁸⁾ 250hr-1 의값으로 표현되는데 이는 제조사에서 제시한 값의 1/10정도로 매우 적은 값으로 나타나는데 이로 말미암아 본 연구에서 제시한 디자인의 반응기를 사용 했을 경우 최적의 효율을 기대할수 있다고 생각된다. 이 연구에서 메탄보다 큰 탄화수소류의 경우 반응하여 사라지는 속도를 단순하게 일정 상수(20% 증가) 함으로서 실제 실험 결과와 잘 일치 시킨 것은 미분방정식을 푸는 시간을 줄이면서 효과적으로 실제 개질기를 잘 디자인 하는 한 방법을 제시하고 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	대체에너지 중 수소의 장점은?	이 대체에너지 중 수소는 환경오염물질을 발생시 키지 않으며 에너지의 밀도가 높다는 장점이 있어 미래 에너지 자원으로 가능성이 있다. 수소를 제조하는 방법은 열화학 분해법, 전기 분해법, 고온 수증기 전기분해법, 천연가스 개질법등을 연구 개발 중 이며 이 방법들 중 가장 실용적인 방법은 천연가스와 같은 탄화수소 연료를 개질하는 방법이다.
	최근 화석연료 사용으로 인한 온실가스로 인해 어떠한 문제가 발생하였는가?	최근 화석연료 사용으로 발생된 온실가스로 인해 대기온도 상승, 기후 변화 등 지구 온난화 피해가 발생함에 따라 이에 대응하기 위한 국제적 기후변화협약 및 교토 의정서 체결에 따라 온실 가스 감축문제가 대두되고 있다. 또한 우리나라는 세계 에너지 10위 소비 국가이며 에너지 수요의 97%를 해외에 의존하고 있기 때문에 매년 전체 수입액의 25%를 에너지 수입에 투자하고 있는데 최근 몇 년간 지속된 국제 유가 상승으로 향후 10년 내 에너지 부족 국가로 추락할 우려가 있으며 이런 상황을 극복하기 위해 우리나라 뿐만 아니라 대다수의 선진국에서도 대체 에너지에 대한 관심이 높아져 대체에너지 분야의 연구를 활발히 진행하고 있다.
	대체에너지 중 수소를 제조하는 방법으로 무엇이 연구 개발 중인가?	이 대체에너지 중 수소는 환경오염물질을 발생시 키지 않으며 에너지의 밀도가 높다는 장점이 있어 미래 에너지 자원으로 가능성이 있다. 수소를 제조하는 방법은 열화학 분해법, 전기 분해법, 고온 수증기 전기분해법, 천연가스 개질법등을 연구 개발 중 이며 이 방법들 중 가장 실용적인 방법은 천연가스와 같은 탄화수소 연료를 개질하는 방법이다. 개질기란 기존의 화석연료를 이용 개질하여 수소를 생산 하는 방법으로 현재 가장 많이 쓰이고 있으며 가장 일반적인 방법은 천연가스를 이용한 개질이다.

참고문헌 (8)

S. H. Chan, D. L. Hoang, and O. L. Ding, "Transient performance of an autothermal reformer", Int. Journal of Heat and Mass Transfer 48, 2005, p. 4205.

상세보기
Korean Institute of chemical engineers, reformer system and monitoring technology, 2006, pp. 4229- 4284
Korean Institute of chemical engineers, reformer for hydrogen production, 2008, p. 1229.
Gas Journal, Lee sanggon, "fire safety for semiconductor gases", korean fire protection symposium and seminar, 1994, pp. 37-51.
D. L. Hoang, S. H. Chan, and O. L. Ding, "kinetic and modelling study of methane steam reforming over sulfide nickel catalyst on a gamma alumina support", Chemical Engineering Journal 112, 2005, pp. 1-11.

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S. H. Chan, D. L. Hoang, and O. L. Ding, "Transient performance of an autothermal reformer", Int. Journal of Heat and Mass Transfer 48, 2005, p. 4205.

상세보기
Ascher, Uri M.; Petzold, Linda R. 1998, Computer Methods for Ordinary Differential Equations and Differential-Algebraic Equations, Philadelphia: Society for Industrial and Applied Mathematics, ISBN 978-0-89871-412-8.
http://www.wisegeek.com/what-is-space-velocity.htm. Written by C.H. Seman (adopted with some minor modifications). http://www.wisegeek.com/what-is-space-velocity. htm. Retrieved 2011-01-09.

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